Состояния и свойства воды и водяного пара

Воду и водяной пар очень широко используют в качестве рабочего тела в современных энергетических и технологических промышленных установках.

Переход жидкости в пар называют парообразованием, обратный переход (пара в жидкость) — конденсацией. Парообразование с открытой поверхности называют испарением. В неограниченном пространстве в результате испарения вся жидкость может превратиться в пар. Если же парообразование происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы постепенно заполняют пространство над ней, при этом некоторая часть из них в результате хаотического движения вновь возвращается в жидкость. С течением времени число молекул над жидкостью увеличивается и в конце концов наступает состояние динамического равновесия: сколько молекул вылетает из жидкости в паровое пространство, столько же молекул возвращается назад в жидкость. В таком состоянии пар имеет наибольшую при данной температуре плотность и его называют насыщенным. При изменении температуры равновесие сначала нарушается, но постепенно снова восстанавливается, только уже при других давлении и плотности пара. Если к жидкости интенсивно подводится теплота, то парообразование происходит не только с поверхности, но и внутри жидкости и сопровождается выделением пузырьков пара. Это называют кипением. Над поверхностью кипящей жидкости находится насыщенный пар. Говорят, что и жидкость, и пар в этом случае находятся в состоянии насыщения.

С особенностями различных состояний воды и пара удобно познакомиться, проследив процесс изобарного нагревания 1 кг воды при t = О °С сначала до кипения, затем до полного превращения в пар с последующим перегревом пара. На рис. 1.28 показаны последовательно (слева направо) пять специфических состояний, представляющих наибольший интерес.

Рисунок 1.28, а отражает состояние воды при / = О °С и некотором зафиксированном давлении р. Удельный объем воды в таком состоянии обозначим уж. Изобразим это состояние на диаграмме р—v точкой а (рис. 1.29). При подводе теплоты q температура и объем воды будут увеличиваться. Увеличение уж определяется степенью нагрева и величиной коэффициента теплового рас-

Нагрев воды, парообразование и перегрев пара ширения Av

Р и с. 1.28. Нагрев воды, парообразование и перегрев пара ширения Av = av0(T — Г0), где v0 — удельный объем воды при нормальных условиях (/=0 °С, Pq — 1,01310 Па). По мере нагрева воды точка а на диаграмме р—v будет смещаться вправо. На рис. 1.28, 6 зафиксировано состояние, когда температура воды достигла температуры насыщения и начинается процесс кипения. Все параметры такого состояния принято отмечать штрихом: v', h', s'. На диаграмме p—v состояние насыщения обозначено точкой Ь.

Диаграмма p—v воды и пара

Р и с. 1.29. Диаграмма p—v воды и пара

Если продолжить подвод теплоты, в результате кипения часть воды превратится в пар и под поршнем окажутся в равновесном состоянии вода и пар. При кипении подводимая теплота частично расходуется на дисгрегацию молекул и повышение их энергии (скрытая теплота парообразования), а другая часть трансформируется в работу расширения пара. В промышленных условиях при кипении воды всегда получается механическая смесь воды и насыщенного пара, которую называют влажным паром.

Двухфазное состояние показано на рис. 1.28, в. На диаграмме это состояние отражено точкой с. По мере выкипания жидкости объем паровой фазы возрастает и точка с смещается вправо. Влажный пар может содержать много воды и мало пара или наоборот. Для однозначного описания этого состояния дополнительно используют параметр, называемый степенью сухости, представляющий собой массовую долю насыщенного пара в смеси:

где тп и та масса пара и воды. Ясно, что величина х может меняться в пределах 0...1. Значение х = 0 соответствует воде в момент насыщения.

На рис. 1.28, г показано состояние, когда выкипает последняя капля воды и цилиндр заполнен насыщенным паром. Пар при температуре /н, не содержащий в себе влаги, называют сухим насыщенным. Параметры такого пара отмечают двумя штрихами: у", И", s". На диаграмме это состояние отражено точкой d. Степень сухости сухого насыщенного пара х= 1.

Если и дальше подводить теплоту, то температура и объем пара будут увеличиваться. Такой пар, температура которого больше, чем температура насыщения при заданном давлении, называют перегретым. На рис. 1.28, д показано состояние перегретого пара. На диаграмме p—v ему соответствует точка е. По мере подвода теплоты увеличиваются степень перегрева At = ttH и объем пара, и точка е перемещается вправо.

Если повторить описанный опыт при более высоком давлении, то в результате сжимаемости жидкости и пара точки а, b и d сместятся влево. Смещение точки b определяется двумя факторами: из-за сжимаемости воды она сместилась бы влево, но одновременно из-за повышения давления возрастает и температура насыщения, а значит, увеличивается тепловое расширение жидкости. В результате суммарный эффект сводится к смещению точки b вправо. Если повторять опыт при более низком давлении, то эффекты поменяют знак.

Соединив точки а, b и d однофазных состояний, на диаграмме p—v (см. рис. 1.29) получим пограничные кривые, разделяющие отдельные зоны фазовых состояний. Левее линии точки а находится область равновесного существования воды и льда. Между линиями точек а и b находится область состояний жидкости. Область между верхней и нижней пограничными кривыми (так называют линии точек bud) соответствует состояниям влажного пара, а область правее линии х = 1 — состояниям перегретого пара.

Опыты подтверждают, что при некотором достаточно высоком давлении (его называют критическим) свойства воды и пара становятся одинаковыми, исчезают физические различия между жидким и газообразным состояниями вещества. Такое состояние называют критическим состоянием вещества (точка к на рис. 1.29). Если через точку к проведем критическую изобару и критическую изотерму, то на диаграмме выделятся еще две области: сверхкритических состояний воды (область I) и сверхкритических состояний перегретого пара (область II). Переход от жидкости к перегретому пару при р > ркр сопровождается скачкообразным изменением свойств вещества без образования двухфазных смесей. При этом, когда Т достигает величины Ткр, возникает критическое состояние, а при дальнейшем нагреве — перегретый пар сверхкритических параметров. Такие переходы называют фазовыми переходами второго рода. Приобретая все большее практическое значение, эти переходы во многом еще ждут своих внимательных исследователей.

Установлено в частности (рис. 1.30), что при фазовых переходах второго рода по мере приближения температуры воды к критическому значению заметно возрастает ее теплоемкость. Вода как бы аккумулирует энергию, необходимую для отрыва молекул друг от друга и перехода их в газообразное состояние. При достижении Ткр возникает критическое состояние, а при дальнейшем нагреве образуется перегретый пар, теплоемкость которого по мере роста температуры достаточно быстро уменьшается до обычных значений. Заштрихованная на графике ср=/(7) площадка в определенном масштабе отражает то количество теплоты, которое необходимо подвести, чтобы вода превратилась в пар. Численно эта величина достаточно близка теплоте парообразования г.

Изменение теплоемкости воды и пара при фазовом переходе второго рода

Рис. 1.30. Изменение теплоемкости воды и пара при фазовом переходе второго рода

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >